Расстояния между ними.


 

 

Fт = G

 

 

Где Fт. – сила тяготения, G – гравитационная постоянная, равная Ньютон Это сила взаимногопритяжения двух тел, массой в 1 кг каждое на расстоянии 1 м.

Таким образом, каждая частица во Вселенной должна притягивать все остальные частицы и сама притягиваться ими.

Из закона всемирного Ньютон вывел и уточнил кеплеровы законы эллиптического движения планет; сделал вывод о единстве законов космических тел; предположил, что Земля не ровный шар, а шар сплюснутый у полюсов.

Распространив на всю Вселенную закон тяготения, подтвержденный тогда лишь для Солнечной системы, Ньютон рассмотрел возможную структуру гравитирующей Вселенной при двух противоположных допущениях – конечной и бесконечной Вселенной. Он пришел к выводу, что лишь во втором случае материя могла существовать в виде множества космических объектов – центров гравитации. В конечной же Вселенной все центры гравитации рано или поздно слились бы в единое тело в центре мира. Таким образом, уже само наблюдение бесчисленных звезд подсказывало мысль о бесконечности мирового пространства. Поэтому фундаментальной моделью Вселенной стало представление о бесконечном пространстве, в котором находятся бесчисленные материальные космические объекты, связанные друг с другом силой всемирного тяготения, определяющей характер их движения.

Итак, вселенная бесконечна в пространстве, но конечна или бесконечна она во времени?

Немецкий физик и астроном Г.Ольберс считал, что в бесконечной вселенной любой луч должен упираться в какую-нибудь звезду. Но тогда небо, даже ночью, должно ярко светиться как Солнце, т.к. свет, идущий к нам от далеких звезд, должен ослабляться из-за поглощения веществом, находящимся на его пути. В таком случае, это вещество должно было нагреться и ярко светиться как звезды.

Единственная возможность избежать вывода о ярком как Солнце светящемся небе – это предположить, что звезды сияли не всегда, а загорались в какой-то определенный момент времени. Тогда, поглощающее вещество, возможно, еще не успело разогреться. Таким образом, вселенная, скорее всего, возникла в некоторый момент времени в прошлом, но сразу такой, как ее видит современный наблюдатель. Такая модель вселенной называется «бесконечная статическая вселенная» (статическая означает – неизменная во времени).

Задумывался Ньютон и над проблемой происхождения такой упорядоченной Вселенной. Однако здесь он столкнулся с задачей, для решения которой еще не располагал научными фактами. Однако Ньютон понял, что одних только механических свойств материи для этого объяснения недостаточно. Он критиковал атомистов-механицистов (например, Р.Декарта), утверждая при этом, что из одних только неупорядоченных механических движений частиц не могла возникнуть вся сложность мирового порядка и богатство живых существ в мире. Обнаружив возмущения в движениях ряда планет и спутников (отклонения от законов Кеплера), Ньютон предположил, что эти возмущения со временем могут нарастать. Но это было лишь предположение. Оставалось прибегнуть лишь к некой более могучей, чем тяготение, организующей силе, каковою в эпоху Ньютона мыслился только Бог. Тайной для ученого оставалось и начало орбитального движенияпланет. Поэтому он допустил некий божественный “первотолчок”, благодаря которому планеты приобрели орбитальное движение. Гипотеза “вихрей” Декарта, согласно которой вихри являются источником движения планет, отвергалась Ньютоном как недоказуемая (“Гипотез не измышляю”).

Благодаря Ньютону утвердилось представление о существовании бесконечного пустого межпланетного и межзвездного мирового пространства. Сам Ньютон склонялся скорее к идее крайней разряженности мировой материи, не вызывающей заметного торможения планет. Однако, в борьбе с взглядами Р.Декарта, утвердился принцип дальнодействия – как передачи действия тяготения мгновенно и через пустоту. Ньютон же был более склонен предположить наличие некого передатчика этого действия, возможно даже нематериальной природы.

С именем Ньютона связано также введение в науку пространственно-временных характеристик.Понятие пространства возникло в процессе наблюдения людьми положения объектов, их протяженности, отношения друг к другу. Понятие времени основывалось на восприятии смены событий (у людей труд сменялся отдыхом, голод – сытостью, бодрствование – сном, а в природе день сменял ночь, зима – лето и т.п.). Ребенок с рождения начинает практически осваивать понятия верха-низа, переда-зада, права – лева, выше – ниже, дальше – ближе. Далее ребенок постигает смену дня и ночи, времен года.

Время можно измерять мерой пространства – расстоянием, а расстояние – мерой времени. Так, если человек идет в течение 2 часов, то он может предположить какое расстояние он прошел, а если он проходит по шоссе сколько-то километров, то может предположить, сколько прошло времени.

И.Ньютон пространство отождествлял с пустотой, рассматриваемой как непосредственное вместилище тел. Пространство подобно ящику, стенки которого раздвигаются бесконечно.

Пространство абсолютно, так как оно существует везде и всегда. Также пространство обладает следующими характеристиками: оно трехмерно, однородно, изотропно (равноправность всех направлений в пространстве), непрерывно, подчиняется геометрии Евклида.Пространство существует независимо от времени и материальных объектов (как сцена – пространство, декорации – время и актеры – материя: актеры, сыграв свои роли, уйдут, декорации и сцена останутся; декорации могут унести, и тогда останется одна сцена).

 

 

Пространство И.Ньютона.

Время, согласно Ньютону, абсолютно, оно протекает равномерно, не имеет отношения к чему бы то внешнему. Время есть условие всякого процесса. Время обладает следующими характеристиками: одномерность,однонаправленность, необратимость.

Существовали во времена Ньютона и другие точки зрения на пространство и время (например, точка зрения Г.В.Лейбница), однако взгляды Ньютона были общепризнанны и доминировали вплоть до начала ХХ века.

Трудно переоценить творческое наследие И.Ньютона. Так, дальнейшее развитие естествознания блестяще подтвердило закон всемирного тяготения в масштабах не только планетной и звездной, но и внегалактической Вселенной. А понятие гравитации, открытое Ньютоном, получило дальнейшее развитие в общей теории относительности А.Эйнштейна.

 

Лекция № 5. Электромагнитная картина мира.

В Х1Х веке физики разработали новый подход к ньютоновской теории тяготения. Они перенесли свое внимание с тел, обусловливающих гравитационное взаимодействие, на пространство между телами. Это произошло тогда, когда физики занялись изучением электромагнетизма. Начало этому изучению положили Майкл Фарадей (1791 – 1867) и Джеймс Максвелл (1831 – 1879). “Фарадей увидел среду там, где раньше не видели ничего, кроме расстояния… Фарадей искал суть явлений во взаимодействии со средой”, - писал Д.Максвелл.

Теория тяготения Ньютона представляла собой теорию частиц и их взаимодействий. При новом подходе и частицы, и создаваемыеими гравитационныеполя играли одинаково важную и взаимодополняющую роль. Частицы служат источником гравитационных полей, которые в свою очередь воздействуют на частицы. Частицы не взаимодействуют друг с другом непосредственно на расстоянии, а каждая частица испытывает ускорение в результате действия на нее гравитационного поля в той точке, где она находится. Теория поля отвергает действие на расстоянии т.е. принцип дальнодействия Ньютона, а пустоту заменяет средой.

Таким образом, на место принципа дальнодействия Ньютона был поставлен принцип близкодействия, согласно которому, физическое действие может передаваться только от точки к точке и только с ограниченной скоростью. Пределом скорости распространения физического действия выступает скорость света в вакууме (с).

В физике принято, что число силовых линий, проводимых к точечной массе, должно быть пропорционально величине этой массы. Величина гравитационного взаимодействия в данной точке пространства пропорциональна плотности силовых линий в окрестности этой точки. Чем теснее изображены силовые линии, тем сильнее гравитационное поле в этой области, а там, где силовые линии отстоят далеко друг от друга, поле слабое.

Ранее ученые считали, что электричество и магнитизм не связаны между собой. Но однажды датский физик Х.К.Эрстед (1777-1851), показывая опыт с электрическим током, заметил, что каждый раз, когда по проволочному контуру проходит электрический ток, стрелка, лежащего рядом компаса, вздрагивала. Эрстед обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле. Изменяющееся (переменное) электрическое поле создавало магнитное поле.

Фарадей показал, что при прохождении магнита через виток провода, в нем возникает электрический ток. Это означало, что изменение магнитного поля (переменное магнитное поле) создает электрическое поле. Была доказана единая природа электрического и магнитного поля.

М.Фарадей ввел в науку понятие электромагнитного поля как особой среды взаимодействия.

Математическую обработку теории электромагнитизма создал Д.Максвелл. Он начал с рассмотрения четырех основных фактов об электричестве и магнитизме:

1. Электрические заряды отталкиваются или притягиваются с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними;

2. Движущийся электрический заряд или ток создает магнитное поле;

3. Движущийся магнит создает ток, т.е. электрическое поле;

4. Электрический ток в одной цепи может наводить ток в соседней цепи (электромагнитная индукция).

Создавая теорию электромагнитизма, Максвелл принял аналогию между силовыми линиями поля и представлениями о потоке в гидродинамике. Так, скорость течения «электрической жидкости» соответствовала силе тока, а разница давлений жидкостей – разности электрических потенциалов.

В основе описания всех электрических и магнитных явлений лежать четыре уравнения Максвелла.

Первое уравнение. Магнитное поле порождается движущимися электрическими зарядами или переменным электрическим током (т.е.током смещения) в соответствии с формулой:

rotH = J +

 

где rot H – ротор вектора напряженности магнитного поля;

rot (ротер) – это математический термин, обозначающий вихрь векторного поля, т.е. характеризует вращательное движение в данной точке векторного поля.

J – это вектор плотности электрического тока;

D – это вектор тока смещения или вектор электрической индукции;

T – время.

Второе уравнение. Электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (вихревое поле) порождается переменным магнитным полем по формуле:

rotE = .

 

где rotЕ – ротор вектора напряженности электрического поля;

В – это вектор индукции магнитного поля;

с – скорость света в вакууме.

Третье уравнение. Не существует магнитных зарядов, способных вызывать магнитное поле:

divB = 0;

где divB – дивергенция вектора индукции магнитного поля.

div (расхождение) – математическое число, характеризующее величину изменения потока векторного поля в каждой точке этого поля.

divB =0 означает, что линии магнитного поля не расходятся, а всегда замкнуты, а поэтому магнитное поле не имеет магнитных зарядов в качестве своего источника.

Четвертое уравнение. Электрическое поле с незамкнутыми силовыми линиями порождается электрическими зарядами – источниками этого поля: divD = ;

 

где divD – дивергенция вектора индукции электрического
поля.
p – плотность свободных электрических зарядов в данной точке поля.

Но самым неожиданным для Максвелла оказалось то, что электромагнитное поле может существовать самостоятельно; оно отрывается от колеблющегося заряда и распространяется в пространстве. Таким образом, Максвелл постулировал существование электромагнитных волн, определив, что они распространяются со скоростью света. Он открыл, что свет – это электромагнитная волна.

С точки зрения современных физических взглядов представление Максвелла устарело. Электрическое и магнитное поле в ходе своего изменения взаимно возбуждают друг друга, в результате чего возникают электромагнитные волны, которые распространяются со скоростью света в вакууме.

Через 10 лет после смерти Максвелла, в 1889 году немецкий физик Генрих Герц (1857 – 1894)обнаружил электромагнитные волны неоптического диапазона – радиоволны. Сегодня физикам известен целый спектр электромагнитных волн: радиоволны, микроволны, инфракрасные волны, видимый свет (оптический диапазон), ультафиолетовые волны, рентгеновские волны, гамма-излучения, и др.

Законы Ньютона, и особенно его теория тяготения, а также последовавшая за ней теория электромагнетизма заложили фундамент для дальнейшего развития представлений о мире.

 

 

Лекция № 6. Определение скорости света

Скорость света в пустоте (вакууме) была впервые измерена еще в XVII веке. В сентябре 1676 г. молодой датчанин Олаф Ремер(1644 – 1710 гг.), работавший в Парижской обсерватории, представил Французской Академии наук доклад, в котором описал, как, пользуясь вращением Земли вокруг Солнца, можно определить скорость света.

Ремер при своих исследованиях наблюдал перемещение одного из спутников Юпитера. Время полного оборота спутника вокруг планеты было строго постоянным и хорошо известным астрономам. Ремер заметил: если Земля при своем вращении вокруг Солнца находится в наиболее удаленной от Юпитера точке орбиты, то вхождение спутника в тень Юпитера астрономы наблюдают на 22 минуты позже, чем в тот момент, когда Земля находится к Юпитеру ближе всего. Ремер догадался о причине странного явления - свету нужно 22 минуты, чтобы преодолеть расстояние от ближайшей до наиболее удаленной от Юпитера точки орбиты Земли. Зная это расстояние мы легко можем определить скорость света! Вероятно, это был один из первых в истории науки случаев, когда ученый пользовался Вселенной как гигантской естественной лабораторией.

Ремер получил значение скорости света, которое раза в полтора меньше современных значений этой величины. Более точно скорость света научились определять только в XIX веке. Высокого совершенства в этом деле достиг американский физик, уроженец Польши, Альберт Майкельсон (1852-1931). Именно Майкельсон совместно с другим американским физиком Морли в своих опытах 1887 г. установил, что скорость света не зависит от направления луча, что на скорость распространение света не влияет вращение Земли. Исключительная тщательность опытов Майкельсона, достигнутая в начале XIX века высокая точность в определении истинного значения скорости света, быть может, натолкнула Альберта Эйнштейна на мысль считать скорость света в вакууме самой высокой скоростью, которая возможна в Природе.

 

1. ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ СВЕТА РЕМЕРОМ

 

Впервые скорость света была измерена в 1676 г. Рёмером. Наблюдения затмений спутников Юпитера показали, что видимый период их обращения уменьшается, когда Земля в своем годовом движении приближается к Юпитеру, и увеличивается, когда Земля удаляется от него. Рёмер понял, что этот эффект связан с конечной скоростью распространения света, и по результатам наблюдений вычислил эту скорость. Поскольку период обращения Юпитера вокруг Солнца (12 лет) много больше периода обращения Земли, при расчете можно считать Юпитер неподвижным. Пусть в некоторый момент времени спутник Юпитера выходит из его тени, что будет зафиксировано земным наблюдателем в момент

 

Т1= t1 + s1 / c

 

где s1 – расстояние между Землей и точкой выхода спутника из тени, c – скорость света. После еще одного оборота выход спутника из тени произойдет в момент t2 , а земной наблюдатель заметит это в момент времени

 

T2 = t2 + s2 / c

 

Тогда для земного наблюдателя период обращения спутника

Tнабл = T2 – T1 = Tист + (s2 – s1) / c,

где Tист = t2 – t1

Вследствие изменения расстояния s от Земли до Юпитера в процессе проведения измерений наблюдаемый период обращения спутника будет отличаться от истинного.

Если проделать измерения как при приближении Земли к Юпитеру, так и при удалении от него, то среднее значение наблюдаемого периода Tнабл можно принять равным Tист , т.к. члены (s2 - s1) / c, имеющие различные знаки, взаимно уничтожатся.

Теперь, зная

 

Tист = i, набл / n

 

можно определить скорость света:

 

с = s1 - s2 / Tнабл - Тист

 

Используя известные из астрономических вычислений значения s1 и s2 учитывая

движение Юпитера, Рёмер получил значение скорости света

c = 214300км с .

Это было первое надежное измерение скорости света с удовлетворительной по тем временам

точностью.

Среди ученых, занимавшихся этим вопросом, был молодой датский астроном Оле Рёмер, за четыре года до того приглашенный французским астрономом Жаном Пикаром на работу в новой парижской обсерватории.

Как и другие астрономы того времени, Рёмер знал, что период между двумя затмениями ближайшего к Юпитеру спутника изменяется в течение года; наблюдения из одного и того же пункта, отделенные сроком в полгода, дают максимальную разницу в 1320 секунд. Эти 1320 секунд были загадкой для астрономов, и никто не мог найти им удовлетворительное объяснение. Казалось, существовала какая-то зависимость между периодом обращения спутника и положением Земли на орбите относительно Юпитера. И вот Рёмер, обстоятельно проверив все эти наблюдения и расчеты, неожиданно просто решил загадку.

Рёмер допустил, что 1320 секунд (или 22 минуты) – это то время, которое требуется свету, чтобы пройти расстояние от ближайшего к Юпитеру положения Земли на орбите до положения, наиболее отдаленного от Юпитера, где Земля оказывается через полгода. Иными словами, дополнительное расстояние, которое проходит свет, отраженный от спутника Юпитера, равно диаметру орбиты Земли (рис. 1).

 

 

Рис. 1. Схема рассуждений Рёмера.

 

Астрономический метод измерения скорости света.

Впервые осуществлен датчанином Олафом Ремером в 1676 г. Когда Земля очень близко подошла к Юпитеру (на расстояние L1), промежуток времени между двумя появлениями спутника Ио оказался 42 ч 28 мин; когда же Земля удалилась от Юпитера на расстояние L2, спутник стал выходить из тени Юпитера на 22 мин позднее. Объяснение Ремера: это запаздывание происходит за счет того, что свет проходит дополнительное расстояние D l= l2 – l1 .

Период обращения ближайшего к Юпитеру спутника Ио равен приблизительно 42,5 часа. Поэтому спутник должен был заслоняться Юпитером (или выходить из полосы затмения) каждые 42,5 часа. Но в течение полугода, когда Земля удаляется от Юпитера, затмения наблюдались каждый раз со все большим запаздыванием по сравнению с предсказанными сроками. Рёмер пришел к выводу, что свет распространяется не мгновенно, а имеет конечную скорость; поэтому ему требуется все больше времени для достижения Земли, по мере того как она, двигаясь по орбите вокруг Солнца, удаляется от Юпитера.

Во времена Рёмера диаметр орбиты Земли считался равным примерно 182 000 000 миль (292 000 000 км). Разделив это расстояние на 1320 секунд, Рёмер получил, что скорость света равна 138 000 миль (222 000 км) в секунду.

На первый взгляд может показаться, что получить числовой результат с такой погрешностью (почти в 80 000 км в секунду) не велика заслуга. Но вдумайтесь, чего все-таки достиг Рёмер. Впервые за всю историю человечества было доказано, что движение, считавшееся бесконечно быстрым, доступно познанию и измерению.

Мало того, с первой же попытки Рёмер получил величину правильного порядка. Если же принять во внимание, что ученые до сих пор занимаются уточнением диаметра орбиты Земли и сроков затмения спутников Юпитера, то ошибка Рёмера не будет вызывать удивления. Теперь мы знаем, что максимальное запаздывание затмения спутника равно не 22 минутам, как думал Рёмер, а примерно 16 минутам 36 секундам, а диаметр орбиты Земли приближенно равен не 292 000 000 км, а 300 000 000 км. Если внести эти поправки в расчет Рёмера, получается, что скорость света равна 300 000 км в секунду, а этот результат близок к самой точной цифре, полученной учеными нашего времени.

Основное требование, которое предъявляется к хорошей гипотезе, – это чтобы на ее основе можно было делать правильные предсказания. Исходя из вычисленной им скорости света, Рёмер смог за несколько месяцев вперед точно предсказать некоторые затмения. Например, в сентябре 1676 года он предсказал, что в ноябре спутник Юпитера появится примерно с десятиминутным опозданием. Крошечный спутник не подвел Рёмера и появился в предсказанное время с точностью до одной секунды. Но парижских философов не убедило даже это подтверждение теории Рёмера. Однако Исаак Ньютон и великий голландский астроном и физик Христиан Гюйгенс выступили в поддержку датчанина. А некоторое время спустя, в январе 1729 года, английский астроном Джемс Брадлей несколько иным путем пришел к тому же выводу, что и Рёмер. Сомнениям не оставалось места. Рёмер навсегда положил конец бытовавшему среди ученых убеждению, что свет распространяется мгновенно независимо от расстояния.

Рёмер доказал, что, хотя скорость света и очень велика, она тем не менее конечна и может быть измерена. Однако, отдавая должное достижению Рёмера, некоторые ученые все же не были вполне удовлетворены. Измерение скорости света по его методу основывалось на астрономических наблюдениях и требовало длительного времени. Им же хотелось провести измерение в лаборатории чисто земными средствами, не выходя за пределы нашей планеты, так, чтобы все условия опыта находились под контролем. Сумел же французский физик Марен Марсенн, современник и друг Декарта, тридцать пять лет назад измерить скорость звука. Почему нельзя то же самое проделать и со светом?

 

2. ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ СВЕТА ФИЗО

Однако разрешения этой проблемы пришлось ждать почти два столетия. В 1849 году французский физик Арман Ипполит Луи Физо(1819-1896) придумал довольно простой способ. На рис. 2 показана упрощенная схема его установки. Физо направлял из источника световой луч в зеркало В, затем этот луч отражался на зеркало А. Одно зеркало было установлено в Сюрен, в доме отца Физо, а другое – на Монмартре в Париже; расстояние между зеркалами составляло приблизительно 8,66 км. Между зеркалами А и В помещалось зубчатое колесо, которое можно было вращать с заданной скоростью (принцип стробоскопа). Зубцы вращавшегося колеса прерывали световой луч, разбивая его на импульсы. Таким образом посылалась цепь коротких вспышек.

 

Рис. 2. Установка Физо.

Через 174 года после того, как Рёмер вычислил скорость света из наблюдений затмений спутника Юпитера Ио, Физо сконструировал устройство для измерения скорости света в земных условиях. Зубчатое колесо C разбивало луч света на вспышки. Физо измерил время, за которое свет проходил расстояние от C до зеркала A и обратно, равное 17,32 км. Слабостью этого метода было то, что момент наибольшей яркости света определялся наблюдателем на глаз. Такие субъективные наблюдения недостаточно точны.

Когда зубчатое колесо было неподвижно и находилось в первоначальном положении, наблюдатель мог видеть свет от источника сквозь промежуток между двумя зубцами. Затем колесо приводилось в движение со все возрастающей скоростью, и наступал такой момент, когда световой импульс, пройдя через промежуток между зубцами, возвращался, отразившись от зеркала A, и задерживался зубцом. В этом случае наблюдатель ничего не видел. При дальнейшем ускорении вращения зубчатого колеса свет снова появлялся, становился все ярче и, наконец, достигал максимальной интенсивности. На зубчатом колесе, использованном Физо, было 720 зубцов, а максимальной интенсивности свет достигал при 25 оборотах в секунду. На основании этих данных Физо следующим образом вычислил скорость света. Свет проходит расстояние между зеркалами и обратно за то время, пока колесо повернется от одного промежутка между зубцами до другого, т.е. за 1/25 × 1/720, что составляет 1/18000 секунды. Пройденное расстояние равно удвоенному расстоянию между зеркалами, т.е. 17,32 км. Отсюда скорость света равна 17,32 · 18 000, или около 312 000 км в секунду.

 

 


ЛЕКЦИЯ № 7. Принцип относительности. Теория относительностиА.Эйнштейна.

 

 

Принцип относительности. Впервые мы с ним сталкиваемся уже в 4 апории Зенона Элейского “Стадий”, когда два тела движущихся навстречу друг другу с одинаковыми скоростями, за равные промежутки времени проходят относительно неподвижного наблюдателя половину пути, а относительно друг друга – целый путь. В 4 в. до н.э. Зенон не смог обосновать принцип относительности движения и вынужден был объявить движение не существующим с точки зрения разума.

В 17 в. принцип относительности движения находит свое развитие в работах Р. Декарта. Он писал, что если одна частица движется к другой, то с таким же правом можно считать, что вторая движется к первой. На этом основании Декарт заключил, что состояние движения ничем не отличается от состояния покоя. Говорить о движении вообще, бессмысленно. Можно лишь говорить о движении относительно какого-то выбранного тела, точки отсчета. Это тело помещается в основании системы отсчета, Декартовой системы координат.

Следующим этапом развития принципа относительности движения является представление об инерциальной системе, выдвинутое Г. Галилеем и И. Ньютоном. Процессы движения в классической механики происходят в особых привилегированных системах, инерциальных системах. Инерциальная система – это система покоящаяся или движущаяся равномерно прямолинейно и сколь угодно долго. Так, в первом законе И. Ньютона сказано, что если на тело не действует ни какая сила или действие сил скомпенсировано, то тогда, если телу сообщить импульс, то оно будет двигаться равномерно, прямолинейно и сколь угодно долго. Принцип относительности движения в данном случае означает, что во всех инерциальных системах все механические процессы происходят одинаковым образом. В таких системах законы движения тел выражаются той же самой математической формулой, синхронизированные часы идут одинаково, а два разных наблюдателя, находящихся в инерциальных системах, не заметят никаких изменений.

 

Инерциальная система координат.

Принцип относительности Г. Галилея. Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся равномерно и прямолинейно относительно первой. Если же две системы координат движутся друг относительно друга неравномерно, то законы механики не могут быть справедливы в обеих системах одновременно. Системы координат, в которых законы механики справедливы, называются инерциальными системами. Однако вопрос о том существует ли вообще инерциальная система еще не решен. Но если есть хотя бы одна такая система, то их имеется бесконечное множество. Каждая система, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно первоначальной, является тоже инерциальной системой.

В первой четверти 19 века произошла вторая в истории естествознания научная революция, приведшая к полной ломке классической механистической картины мира. Своим свершением она была обязана выдающемуся немецкому физику А.Эйнштейну.

Итак, какие же идеи и научные положения господствовали в науке в конце 19 – начале 20 века? Господствовали идеи электродинамики Максвелла и Лоренца, опирающиеся на представления о независимом существовании таких фундаментальных сущностей как пространство, время,материя.Пространство рассматривалось как плоское, евклидово, бесконечное. Материя – состоящей из нейтральных атомов. Были известны два фундаментальных типа взаимодействия – гравитационное иэлектромагнитное. Абсолютной системой отсчета считался мировой эфир, заполняющий весь космос. Свет рассматривался как колебания эфира. Законы, открытые для макроскопических тел и процессов, экстраполировались на всю шкалу масштабов – от космологических, до масштабов микромира.

Однако уже в конце 19 века физики задались вопросом, существует ли мировой эфир? В 1887 году американцы Альберт Майкельсон и Эдвард Морли предположили, что если мировой эфир существует, тогда при движении Земли вокруг Солнца сквозь эфир должен возникать “эфирный ветер”. Если свет – форма движения мирового эфира, то скорость луча света должна зависеть от скорости движения Земли и складываться из собственной скорости света (с= 300.000 км\с) и скорости движения Земли (v = 30 км\с) при их встречном движении. Однако в опытах Майкельсона – Морли скорость света оставалась величиной постоянной.

 

Опыт Майкельсона – Морли

 

Где А – пучок света, D – телескоп, B – полупрозрачное зеркало, C - отражающие зеркала. После отражения от зеркал C пучки света сходятся на зеркале B, откуда направляются к телескопу D. При равенстве расстояний от отражающих зеркал С до полупрозрачного зеркала В в телескопе будет наблюдаться система интерференционных полос (комбинация ярких и темных полос). Если бы существовал мировой эфир, то время прохождения луча света по горизонтальному и вертикальному направлениям было бы различным, а оно оказалось одним и тем же.

Выводы из опыта Майкельсона-Морли:

1. Мирового эфира не существует;

2. Скорость света (с) есть предельно большая величина, к которой не применим принцип сложение скоростей, используемый в классической механике.

 

Перед физиками встала проблема создания новой фундаментальной теории. Эту проблему удается решить в 1905 году А. Эйнштейну(1879 – 1955), созданием Теории относительности, которая состоит из двух частей: Специальной теории относительности (1905 г.) и Общей теории относительности (1916 г.)

 

Специальная теория относительности начинается с двух положений:

1.Скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

2.Законы природы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

Специальная теория относительности описывает законы всех физическихпроцессов при любых скоростях движения, но без учета силы тяготения. Другое дело, что экспериментально обнаружить релятивистские эффекты можно лишь при очень больших скоростях, скоростях близких к скорости света. При небольших скоростях движения специальная теория относительности Эйнштейна сводится к классической механике Ньютона, которая оказывается ее частным случаем.

Релятивистские эффекты или эффекты теории относительности.

Согласно теории Эйнштейна, для наблюдателя из другой системы отсчета размеры тел в наблюдаемой системе сокращаются в направлении движения системы, согласно формуле:

 

 

Относительной величиной оказывается и масса тела (m), введенная Ньютоном как величина абсолютная. Для наблюдателя из другой системы отсчета масса тела в движущейся системе возрастает согласно формуле:

 

 

С приближением скорости тела (V) к скорости света (с) масса тела стремится к бесконечности.

В движущейся системе, относительно наблюдателя из неподвижной системы отсчета, время замедляет свой ход, течет медленнее, согласно формуле:

 

 

 

Эйнштейном приводится эффект близнецов. Так, один из братьев-близнецов отправляется на ракете в космическое путешествие со скоростью V = 0,99 c на один земной год. Но в то время как на космическом корабле пройдет 1 год, на Земле пройдет 50 лет и возвратившийся из путешествия космонавт вряд ли узнает своего брата-близнеца состарившегося на 50 лет.

Но даже если мы будем путешествовать на обычном поезде, то наши ручные часы будут идти медленнее, чем часы на станции, мимо которой мы проезжаем, правда разница во времени будет столь мала, что мы ее не зафиксируем.

Таким образом, относительными стали такие понятия как “длина”, “промежуток времени”, “одновременность”, “масса”.

Но существуют ли величины, не зависящие от системы отсчета, так называемые инварианты? В качестве величины, не зависящей от системы отсчета, стали рассматриваться:

- скорость света в вакууме (с);

- пространственно-временной интервал (S);

- само событие.

Пространственно-временной интервал ∆S2=∆x2+∆y2+∆z2-∆(c2t2) был выведен не Эйнштейном, а Х.Лоренцомдля обозначения метрики пространственно-временного континуума. Этот интервал выражает разницу между двумя событиями в пространстве-времени. x,y,z – пространственные координаты, а t – временная координата; с – скорость света = const. Специальная теория относительности устанавливает инвариантность (неизменность) значения самого этого интервала, т.к. релятивистское сокращение длины и релятивистское замедление времени компенсируют друг друга и поэтому значение самого интервала остается тем же.

Сам Лоренц объяснял феномен сокращения длины движущегося объекта динамическими причинами. Лоренц полагал, что под воздействием частиц неподвижного эфира, т.е. под их давлением происходит сокращение длины, движущегося сквозь них тела, подобно тому, как под механическим давлением происходит сжатие обыкновенной пружины.

Преобразования Лоренца были открыты для описания электромагнитного поля, для перехода от одной инерциальной системы к другой. Согласно Эйнштейну, они отражаются не реальные изменения размеров тел при их движении, а изменения результатов измерения в зависимости системы отсчета (наблюдателя). Приведенные выше уравнения СТО являются также преобразованиями Лоренца.

Специальная теория относительности в лице пространственно-временного интервала показала неразрывную связь пространства и времени, после чего физики стали говорить о едином пространственно-временномконтинууме.

Наконец, Эйнштейн провозгласил в качестве уни<


Дата добавления: 2021-06-28; просмотров: 327;

Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.063 сек.